SoC sur FPGASystèmes programmables sur FPGA

Tarik Graba18 octobre 2016

Plan

Introduction

Softcore processor

Hardcore processor

Outils et méthodologie

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SoC sur FPGAPourquoi?

Les FPGAs peuvent être utilisés pour implémentermatériellement des fonctions numériques:

• des fonctions de traitement du signal,• des processeurs,• des accélérateurs• …

Les utiliser pour construire des systèmes à base deprocesseurs

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SoC sur FPGAPourquoi?

Développer rapidement une application autour d’un cœurde processeur:

• le développement logiciel est plus simple,• plus facile de trouver des développeurs,• réutiliser les bibliothèques et les OS existants.

Ajouter des périphériques spécialisés grâce au FPGA:• pour des questions de performance,• pour simplifier les cartes électroniques (beaucoup d’IO,

glue logic, …)En deçà d’un certain volume, on n’a pas le choix.

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SoC sur FPGAAvantages?

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SoC sur FPGAAvantages?

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SoC sur FPGAAvantages?

Un système à base de processeur

un ou plusieurs processeurs,la mémoire (ram/rom) (jusqu’à une certaine taille),des interfaces de communication (standards, ad hoc, …)les bus internes.

Qui n’est pas figé

le FPGA reste programmable, on peut faire évoluer lesystèmechangé sa structure, sa fonctionnalité.

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Plan

Introduction

Softcore processor

Hardcore processor

Outils et méthodologie

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Softcore processor

Utiliser les ressources du FPGA pour le processeur et ses périphériques.

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Softcore processor

Utiliser les ressources du FPGA pour le processeur

+ faisable sur n’importe quel FPGA+ le cœur est modifiable- processeur “spécial” FPGA- performances limitées- utilise des ressources dans le FPGA

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Softcore processorExemple de plateformes

Altera Nios II

exclusivement sur FPGA Alteraprocesseur 32bits

configurable (pipline, instructions,cache, …)

• supporté par Linuxles sources ne sont pas distribuéespayant

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Softcore processorExemple de plateformes

Xilinx Microblazeexclusivement sur FPGA Xilinxprocesseur 32bits

configurable (pipline, instructions,cache, …)

• supporté par Linuxles sources ne sont pas distribuéespayant

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Softcore processorExemple de plateformes

Lattice Mico32

conçu pour les FPGA latticeprocesseur 32bitsles sources sont accessible et “libre”pas de support Linux

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Softcore processorExemple de plateformes

ARM Cortex-M1

Microcontrôleur 32bits (proche desCortex-M0)configurableSupporte plusieurs familles deFPGAspas de support Linuxpayant

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Softcore processorExemple de plateformes

Cobham/Gaisler Leon

SPARC 32bits développé initialementpour l’ESAsupporte plusieurs familles deFPGAssupport Linuxopensource jusqu’à la version 3existe en version durcie pour lespatial et l’avioniqueexiste aussi en ASIC

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Softcore processorExemple de plateformes

OpenRisc, RiscV, …

des cœurs de processeursopensourcesdans toutes les catégories(µ-contrôleur, high-end,…)l’environnement (logiciel/matériel)n’est pas toujours de qualitésupport de la communauté

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Plan

Introduction

Softcore processor

Hardcore processor

Outils et méthodologie

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Hardcore processor

Avoir un vrai processeur dans la même puce que le FPGA.

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Hardcore processor

hard core: un bloc en dur dans la puce du FPGA

- restreint à certaines familles de FPGAs- le cœur est figé+ performances élevée+ processeurs “standard”+ la FPGA peut servir à autre chose

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Hardcore processorHard System

Avoir un vrai SoC de base dans la même puce que le FPGA.

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Hard Processing System/SoC

Un système sur puce de base dans la puce du FPGA

+ un soc de base facilite le développement logiciel:+ support des systèmes d’exploitation et bibliothèques+ mise en commun et réutilisation plus simple

+ on se concentre sur les ajouts- apprentissage un peu plus complexe

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Exemple de plateformesXilinx Zynq SoC

Système sur puce complet:processeur dual core ARMCortex-A9 (32bits)contrôleur de mémoire DDR, flashinterfaces série, réseau, …

Zone FPGA connectée au bus duprocesseur

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Exemple de plateformes

Altera CycloneV SoCSystème sur puce complet:

processeur dual core ARMCortex-A9 (32bits)contrôleur de mémoire DDR, flashinterfaces série, réseau, …

Zone FPGA connectée au bus duprocesseur

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Exemple de plateformes

Xilinx Zynq Ultrascale+ MPSoCprocesseur dual core ARMCortex-A53 (64bis) et processeurtemps réel dual core ARM Cortex-R5(32bits)GPU Mali-400, processeur vidéo(optionnels)contrôleur de mémoire DDR, flashPCIe, SATA, DisplayPort, …interfaces série, réseau, …

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Exemple de plateformes

Altera Stratix10-SoC

processeur quad core ARMCortex-A53 (64bis)contrôleur de mémoire DDR, flashinterfaces série, réseau, …

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Exemple de plateformes

Microsemi Smatfusion/2

Microcontrôleur 32bits ARMCortex-M3interfaces série, réseau, …ADC, DACfonctions analogiques

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Plan

Introduction

Softcore processor

Hardcore processor

Outils et méthodologie

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Outils et méthodologieDéveloppement orienté IPs

Utilisation d’un standard de communication sur puce• AXI, AMBA, Avalon, Wishbone…

Bibliothèque d’IPs fournies avec les outils• fonctions courantes (interfaces, contrôleurs mémoire…)• payantes ou gratuites

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Outils et méthodologieDéveloppement orienté IPs

Altera Qsys Xilinx Vivado

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Outils et méthodologieDéveloppement orienté IPs

Pour l’utilisateur:Utiliser les IPs existantes

• a-t-elle la bonne fonctionnalité?• comprendre comment elle fonctionne

Développer ses propres IPs• maitriser le protocole de bus• utiliser la méthodologie prévue pour s’intégrer à l’outil• utiliser des canevas et des assistants dans l’outil

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Outils et méthodologieSupport logiciel

Drivers pour interagir avec le matériel• avec un système d’exploitation (OS)• sans système d’exploitation (bare-metal)

Bibliothèques logiciellessystèmes d’exploitation

• temps réel (rtOS)• Linux

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Outils et méthodologieSupport logiciel

Comme le matériel peut changer:Des outils pour adapter/régénérer les drivers

• BSP: Board Support PackageIntégration dans des environnement connus desdéveloppeurs de logiciels

• IDE: Integrated Development Environment• généralement basés sur Eclipse

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